Et av hovedspørsmålene som ikke kommer ut av menneskets bevissthet har alltid vært og er spørsmålet: "Hvordan dukket universet opp?" Det er selvfølgelig ikke noe entydig svar på dette spørsmålet, og det vil neppe oppnås i nær fremtid, men vitenskapen jobber i denne retningen og danner en viss teoretisk modell for opprinnelsen til vårt univers. Først og fremst bør man vurdere universets grunnleggende egenskaper, som skal beskrives innenfor rammen av den kosmologiske modellen.
*** Modellen skal ta hensyn til de observerte avstandene mellom objekter, samt hastigheten og retningen på deres bevegelse. Slike beregninger er basert på Hubbles lov: cz = H0D, der z er rødskiftet til et objekt, D er avstanden til dette objektet, og c er lysets hastighet.
*** Universets alder i modellen må overstige alderen til de eldste objektene i verden.
*** Modellen skal ta hensyn til den opprinnelige overfloden av elementer.
*** Modellen skal ta hensyn til den observerte storskala strukturen i Universet.
*** Modellen skal ta hensyn til den observerte bakgrunnen.
Kampanjevideo:
En kort historie om universet. Singularitet sett av kunstneren (foto)
Tenk kort på den generelt aksepterte teorien om universets opprinnelse og tidlige utvikling, som støttes av de fleste forskere. I dag betyr Big Bang-teorien en kombinasjon av en modell av et varmt univers med et Big Bang. Og selv om disse konseptene først eksisterte uavhengig av hverandre, som et resultat av deres forening, var det mulig å forklare den opprinnelige kjemiske sammensetningen av universet, samt tilstedeværelsen av relikviestråling.
I følge denne teorien oppsto universet for omtrent 13,77 milliarder år siden fra et tett oppvarmet objekt - en enestående tilstand som er vanskelig å beskrive i rammen av moderne fysikk. Problemet med den kosmologiske singulariteten er blant annet at når man beskriver den, har de fleste fysiske størrelser, som tetthet og temperatur, en tendens til uendelig. Samtidig er det kjent at entropien (et mål på kaos) ved en uendelig tetthet bør ha en tendens til null, noe som ikke sammenfaller med en uendelig temperatur.
Evolusjon av universet
*** De første 10 på -43 sekunder etter Big Bang kalles scenen for kvantekaos. Naturen til universet på dette stadiet av eksistens trosser beskrivelsen innenfor rammen av den fysikk som vi kjenner. Det er en oppløsning av en kontinuerlig enkelt romtid i kvanta.
*** Planck-øyeblikk - øyeblikket for slutten av kvantekaos, som faller ved 10 på -43 sekunder. For øyeblikket var parametrene i Universet lik Planck-verdier, som Planck-temperaturen (ca. 1032 K). På tidspunktet for Planck-tiden ble alle fire grunnleggende interaksjoner (svak, sterk, elektromagnetisk og gravitasjon) kombinert til en slags interaksjon. Det er ikke mulig å betrakte Planck-øyeblikket som en viss lang periode, siden moderne fysikk ikke fungerer med mindre parametere enn Planck-ene.
*** Stadie av inflasjon. Den neste fasen i universets historie var inflasjonstrinnet. I det første øyeblikk av inflasjon ble gravitasjonsinteraksjonen skilt fra det enhetlige supersymmetriske feltet (som tidligere inkluderte feltene for grunnleggende interaksjoner). I løpet av denne perioden har materie undertrykk, noe som fører til en eksponentiell økning i universets kinetiske energi. Enkelt sagt, i løpet av denne perioden begynte universet å svulme veldig raskt, og mot slutten omdannes energien til fysiske felt til energien til vanlige partikler. På slutten av dette trinnet stiger temperaturen på stoffet og strålingen betydelig. Sammen med slutten av inflasjonsfasen skiller en sterk interaksjon seg ut. Også i dette øyeblikket oppstår universets baryon-asymmetri.
[Baryon-asymmetri i universet er det observerte fenomenet overvekt av materie over antimateriale i universet]
*** Stadium av strålingsdominans. Den neste fasen i utviklingen av universet, som inkluderer flere stadier. På dette stadiet begynner temperaturen i Universet å synke, det dannes kvarker, deretter hadroner og leptoner. I epoken med nukleosyntese skjer dannelsen av innledende kjemiske elementer, helium syntetiseres. Imidlertid dominerer stråling fremdeles over materie.
*** Tiden med stoffets dominans. Etter 10 000 år overgår materiens energi gradvis strålingsenergien, og separasjonen av dem skjer. Stoffet begynner å dominere strålingen, en relikvie bakgrunn vises. Separasjonen av materie med stråling økte også de opprinnelige inhomogenitetene i materiefordelingen betydelig, som et resultat av at galakser og supergalakser begynte å dannes. Universets lover har kommet til den formen vi observerer dem i dag.
Ovenstående bilde er sammensatt av flere grunnleggende teorier og gir en generell ide om dannelsen av universet i de tidlige stadiene av dets eksistens.
Hvor kom universet fra?
Hvis universet oppsto fra en kosmologisk singularitet, hvor kom singulariteten fra? Det er foreløpig ikke mulig å gi et eksakt svar på dette spørsmålet. Tenk på noen av de kosmologiske modellene som påvirker "universets fødsel".
Sykliske modeller. Klimodellering (foto)
Disse modellene er basert på påstanden om at universet alltid har eksistert, og over tid bare endres dets tilstand, og går fra utvidelse til sammentrekning - og omvendt.
*** Steinhardt-Turok-modell. Denne modellen er basert på strengteori (M-teori), da den bruker et objekt som "bran".
[Kli (fra membran) i strengteori (M-teori) er et hypotetisk grunnleggende flerdimensjonalt fysisk objekt med dimensjon mindre enn dimensjonen til rommet det er plassert i]
I følge denne modellen er det synlige universet plassert inne i en tri-brane, som med jevne mellomrom hvert andre billioner år kolliderer med en annen tri-brane, noe som forårsaker en slags Big Bang. Videre begynner tri-branen vår å bevege seg bort fra den andre og utvide seg. På et eller annet tidspunkt har andelen mørk energi forrang og utvidelseshastigheten til tri-branen øker. Den kolossale ekspansjonen sprer materie og stråling så mye at verden blir nesten homogen og tom. Til slutt oppstår en gjentatt kollisjon av tri-branes, som et resultat av at vårt går tilbake til den innledende fasen av syklusen, og igjen føder vårt "Univers".
*** Teorien til Loris Baum og Paul Frampton sier også om universets sykliske natur. I følge teorien deres vil sistnevnte etter Big Bang utvide seg på grunn av mørk energi til den nærmer seg øyeblikket for "oppløsningen" av selve romtiden - Big Rip. Som du vet, i et "lukket system, reduseres ikke entropi" (termodynamikkens andre lov). Det følger av denne uttalelsen at universet ikke kan komme tilbake til sin opprinnelige tilstand, siden entropien må avta under en slik prosess. Dette problemet løses imidlertid innenfor rammen av denne teorien. I følge teorien til Baum og Frampton, et øyeblikk før Big Rip, går universet i oppløsning i mange "lapper", som hver har en ganske liten verdi av entropi. Opplever en rekke faseoverganger, disse "utklippene" av det tidligere universet gir opphav til materie og utvikler seg på samme måte som det opprinnelige universet. Disse nye verdenene samhandler ikke med hverandre, da de sprer seg i en hastighet som er større enn lysets hastighet. Dermed har forskere unngått den kosmologiske singulariteten, som universets fødsel begynner med i henhold til de fleste kosmologiske teorier. Det vil si at på slutten av syklusen bryter universet opp i mange andre ikke-samhandlende verdener som vil bli nye universer.
*** Konformal syklisk kosmologi er den sykliske modellen til Roger Penrose og Vahagn Gurzadyan. I følge denne modellen er universet i stand til å gå inn i en ny syklus uten å bryte den andre loven om termodynamikk. Denne teorien er basert på antagelsen om at sorte hull ødelegger den absorberte informasjonen, noe som på en eller annen måte "lovlig" senker universets entropi. Deretter begynner hver slik eksistenssyklus av Universet med et skinn av Big Bang og ender med en unikhet.
Andre modeller av universets opprinnelse
Blant andre hypoteser som forklarer utseendet til det synlige universet, er følgende to mest populære:
*** Kaotisk inflasjonsteori - Andrey Lindes teori. I følge denne teorien er det et visst skalarfelt, som er inhomogent i hele volumet. Det vil si at i forskjellige områder av universet har skalarfeltet forskjellige betydninger. Deretter skjer det ikke i områder der feltet er svakt, mens områder med sterke felt begynner å utvide seg (inflasjon) på grunn av energien, og dermed danne nye universer. Dette scenariet innebærer eksistensen av mange verdener som ikke oppsto samtidig og har sitt eget sett med elementære partikler, og følgelig naturlovene.
*** Teorien om Lee Smolin - antar at Big Bang ikke er begynnelsen på universets eksistens, men bare en faseovergang mellom dets to stater. Siden før Big Bang universet eksisterte i form av en kosmologisk singularitet, nært i naturen til singulariteten til et svart hull, antyder Smolin at universet kunne ha oppstått fra et svart hull.
Det er også mønstre der universer kommer kontinuerlig ut, spirer fra foreldrene og finner sin egen plass. Dessuten er det slett ikke nødvendig at de samme fysiske lovene er etablert i slike verdener. Alle disse verdenene er "nestet" i et enkelt romtidskontinuum, men de er så adskilt at de ikke føler hverandres nærvær på noen måte. Generelt tillater inflasjonskonseptet - dessuten tvinger! - å tro at det i det gigantiske megakosmos er mange isolerte universer med forskjellige ordninger.
Til tross for det faktum at sykliske og andre modeller svarer på en rekke spørsmål, hvis svar ikke kan gis av Big Bang-teorien, inkludert problemet med den kosmologiske singulariteten. Likevel, sammen med inflasjonsteorien, forklarer Big Bang mer opprinnelsen til universet, og konvergerer også med mange observasjoner.
I dag fortsetter forskerne intensivt å studere mulige scenarier for universets opprinnelse, men for å gi et ugjendrivelig svar på spørsmålet "Hvordan virket universet?" - vil neppe lykkes i nær fremtid. Det er to grunner til dette: direkte bevis på kosmologiske teorier er praktisk talt umulig, bare indirekte; selv teoretisk er det ingen måte å få nøyaktig informasjon om verden før Big Bang. Av disse to grunnene kan forskere bare fremsette hypoteser og bygge kosmologiske modeller som mest nøyaktig vil beskrive naturen til universet vi observerer.
